ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ СТЕКЛОИЗДЕЛИЙ В ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.3

DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-777-12-34-36

И.А. ЖЕНЖУРИСТ, канд. техн. наук (ir.jenjur@yandex.ru), В.Г. ХОЗИН, д-р техн. наук (khozin@kgasu.ru), Р.К. НИЗАМОВ, д-р техн. наук

Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)

Использование промышленных отходов стеклоизделий в технологии строительной керамики

Предложен вариант внедрения наилучших доступных технологий в производство строительной керамики. Рассмотрена возможность использования крупнотоннажных отходов стеклоизделий особой экономической зоны Татарстана «Алабуга» -боя автомобильного стекла и отходов стекловолокна для получения лицевой керамики и клинкера на основе местных кирпичных глин. Подобран состав композиционной добавки на основе отходов стекла. Отмечено влияние параметров стекла на конечные свойства керамического изделия. Показана необходимость использования солевого минерализатора №С1 для спекания глинисто-стекольной шихты. Разработана технология получения композиционной добавки и подготовки шихты для получения изделия. Рентгенофазовый анализ спеченной керамической композиции показал наличие около 40% стеклофазы, которая по данным микрофотографии композита равномерно распределена по кристаллической структуре материала, а кристаллическая и аморфная фазы состоят преимущественно из алюмосиликатов натрия различного состава.

Ключевые слова: экология, ресурсосбережение, наилучшие доступные технологии, строительная керамика, бой автомобильного стекла, стекловолокно, минерализатор ЫаС1, композиционная добавка, структура, свойства материала.

Для цитирования: Женжурист И.А., Хозин В.Г., Низамов Р.К. Использование промышленных отходов стеклоизделий в технологии строительной керамики // Строительные материалы. 2019. № 12. С. 34-36. 00!: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-777-12-34-36

I.A. ZHENZHURIST, Candidate of Sciences (Engineering) (ir.jenjur@yandex.ru), V.G. HOZIN, Doctor of Sciences (Engineering), R.K. NIZAMOV, Doctor of Sciences (Engineering)

Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, Kazan, Republic of Tatarstan, 420043, Russian Federation)

The Use of Industrial Waste of Glass Products in the Technology of Construction Ceramics

The variant of introduction of the best available technologies in production of construction ceramics is offered. The possibility of using large - capacity waste of glass products of the special economic zone of Tatarstan - "Alabuga" - automobile glass cullet and glass fiber waste to produce face ceramics and clinker based on local brick clays is considered. The composition of a composite additive based on glass waste has been developed. The influence of glass parameters on the final properties of the ceramic product is noted. The necessity of using the salt mineralizer, NaCl, for sintering clay-glass charge is shown. The technology of obtaining a composite additive and preparation of the charge for the product obtaining is developed. X-ray phase analysis of the sintered ceramic composition showed the presence of about 40% of the glass phase, which according to micro-photo is evenly distributed over the crystal structure of the material, and the crystalline and amorphous phases consist mainly of sodium alumino-silicates of different composition.

Keywords: ecology, resource saving, best available technologies, building ceramics, automobile glass cullet, fiber glass, mineralizer, NaCl, composite additive, structure, properties of material.

For citation: Zhenzhurist I.A., Hozin V.G., Nizamov R.K. The use of industrial waste of glass products in the technology of construction ceramics. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 12, pp. 34-36. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-777-12-34-36

В последние годы интенсивно развиваются предприятия по производству стеклоизделий в различных регионах страны. В Республике Татарстан в особой экономической зоне «Алабуга» действуют предприятия по производству автомобильного стекла, стекловолокна и изделий из него. При этом образуются крупнотоннажные отходы в виде некондиционной продукции, утилизация которой является экологической проблемой. Ее решение возможно путем разработки и внедрения наилучших доступных технологий. В соответствии с паспортом проекта РФ «Экология», утвержденного президиумом Совета при Президенте РФ

по стратегическому развитию и национальным проектам 24 декабря 2018 г. (срок реализации 1.10.2018— 31.12.2024), раздел «Внедрение наилучших доступных технологий» НДТ является основой практической реализации всего проекта. Одним из вариантов реализации НДТ применения стекольных отходов может быть производство строительной керамики.

Важной задачей предприятия стеновых керамических материалов в современных условиях жесткой конкуренции является повышение качества и расширение ассортимента выпускаемой продукции. При этом они чаще всего распола-

гают глинистым сырьем неподходящего состава, требующим рецептурной модификации, для которой вынуждены завозить различные функциональные добавки, что значительно повышает себестоимость продукции. К таким добавкам относятся дефицитные и дорогостоящие каолиновые глины и слюды.

Анализ зарубежных и отечественных исследований по утилизации техногенных отходов показывает значительное отставание Российской Федерации в производстве строительной керамики от зарубежных производителей [1]. Вместе с тем, ресурсо- и энергопотребление на единицу валового

научно-технический и производственный журнал

Ceramic building materials

30

20

о 10

X

о

CL d

Л2„

3 js ^^ 1

о^Г

- 2

/

1

30

20

10

О L 1=

2

5

8

10 12

Стекло, %

Рис. 1. Зависимость прочности обожженных при 1000оС образцов с добавками стекла: а - из красногорской глины; б - из хлыстовской глины; 1 - карбонатного (Ч); 2 - кварцевого (П) и с 1% от стекла NaCl: 1н - (Ч), 2н - (П), 3 - триплекс

национального продукта в нашей стране значительно выше, чем в странах Западной Европы, США, Японии и др. [2].

Использование промышленных отходов, в данном случае стекольных, полностью соответствует критериям НДТ согласно ГОСТ Р 55646-2013 «Ресурсосбережение. Производство кирпича и камня керамических. Руководство по применению наилучших доступных технологий повышения энергоэффективности и экологической результативности». В особой экономической зоне «Алабуга» Республики Татарстан объем отходов автомобильного стекла предприятия АО «Агар» и стекловолокна ООО «Алабуга-стекловолокно» составляет порядка 800 т/мес.

Использование стекольного боя для модификации глин при производстве различных керамических материалов известно давно [3-5]. Введение его в шихту позволяет сократить часть глинистого сырья и заменить дефицитные и дорогостоящие компоненты, например огнеупорные глины и каолин. Кроме того, введение боя стекла в состав шихты позволит снизить энергетические затраты и экономить топливо за счет более низкой температуры обжига [2, 4].

s

I 40

II

0 30

s

L

5 20

S3 о

о

L 1=

10

1

2

- >з

4

2 5 8 10 12 Стекло, %

1000

1030

1070

Т°С

На кафедре ТСМИК КазГАСУ были проведены исследования по подбору состава шихты для получения клинкерных изделий на основе кирпичных глин Красно-горского и Хлыстовского месторождений Татарстана и молотых отходов автомобильного стекла. Стеклобой представлен тремя видами: триплекс (Т), с печатью (П) и чистое стекло (Ч). Триплекс включает средний слой — пленку из поливинилбу-тираля и поэтому трудно измельчается. Химический состав компонентов шихты приведен в табл. 1.

Глиняные композиции составляли из предварительно подготовленных компонентов шихты, размолотых и просеянных через сито с диаметром отверстий 1 мм. Композиции усредняли в шаровой мельнице в течение 0,5 ч. Полученные композиции увлажняли дистиллированной водой или раствором соли до пластичного теста и формовали образцы размером 20x20x60 мм, которые сушили до постоянной массы и обжигали в муфельной печи при температуре 1000°С. Исследовали влияние солевого модификатора №С1 (Н) в количестве до 1% от добавки стекла на спекание композиции.

Сначала оценивали влияние каждого вида стекла на спекание

Таблица

Рис. 2. Зависимость прочности образцов из красногорской (1, 2) и хлыстовской (3, 4) глины с 5% стекла от температуры обжига, где 1, 4 - стекло (Ч); 2, 3 - стекло (П)

глиняной композиции. Полученные результаты приведены на рис. 1.

Видно, что для красногорской и хлыстовской глины наблюдается тенденция увеличения прочности образцов при добавке стекла. Лучшие показатели были получены при введении в глину триплекса. Однако это стекло покрыто полимерной пленкой, которая препятствует помолу триплекса, поэтому составы выше 5% добавки стекла не испытывали. Наибольший прирост прочности керамики из модифицированных глин начинается при 5—8% добавки стекла.

Известно, что добавка солевого минерализатора, например соды, к алюмосиликатной композиции приводит к повышению прочности образцов за счет большего количества образующихся легкоплавких смесей, а присутствие №С1 значительно снижает температуру их образования [6, 7]. При этом для каждого состава добавка соли влияет неоднозначно.

Для составов с 5% добавкой стекла проверяли влияние температуры обжига образцов. Уже при температуре 1070°С получено значительное повышение прочности образцов (рис. 2). При более высокой температуре некоторые образцы подвер-

Компонент Химический состав, мас. %

SiO2 AI2O3 Na2O / K2O Fe2O+FeO СаО/ MgO TiO2 ППП

Красногорская глина 68,1 12,2 0,5 / 2,1 6,5 1,8 / 1,6 0,8 3

Хлыстовская глина 66,7 11,5 1,4 / 1,9 5 1,7 / 2 0,6 3,1

Стекловолокно (В) 71 3 15 / - - 8 / 3 - -

599-а-Х-15 (Т) 71,8 12,3 11 4,9

598-а-Х-15 (П) 95 3,1 1,9

597-а-Х-15 (Ч) 75,5 Са-12,9 / Mg-11,6

гались короб-лению и частичному вздутию.

Были испытаны составы с различной комбинацией отходов стекла, в частности вместо триплекса использовали добавку стекловолокна. Результаты приведены на гистограммах рис. 3. Лучшие показатели по прочности и водопоглощению образцов были получены при комплексной добавке из трех

б

а

0

0

0

1

^ научно-технический и производственный журнал

х/] ® декабрь 2019 35

отходов стекла с солевым минерализатором.

В табл. 2 приведены физико-механические показатели образцов с композиционной добавкой в количестве 2—8%, спекание при температуре 1070оС.

Исследование обожженных образцов с композиционной добавкой показало уже при 1000оС наличие около 40% стеклофазы, равномерно распределенной по кристаллической структуре материала (рис. 4). Рентгенограмма показывает (дифрак-тометр Shimadzu XRD 6000), что при использовании в качестве минерализующей добавки соли №С1 кристаллическая и аморфная фазы состоят преимущественно из алюмосиликатов натрия различного состава.

Выводы

Экспериментальные исследования показали, что при добавлении в кирпичные глины боя стекла и при умеренной температуре обжига можно значительно повысить прочность керамического камня. Для снижения температуры обжига и получения высокой прочности материала необходимо вводить в

Список литературы

1. Макаров Д.В., Мелионян Р.Г., Суворова О.В., Кумарова В.А. Перспективы использования промышленных отходов для получения керамических строительных материалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. С. 254—281.

2. Малинецкий Г.Г. Чтоб сказку сделать былью. Высокие технологии — путь России в будущее. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. 224 с.

3. Павлушкина Т.К., Кисиленко Н.Г. Использование стекольного боя в производстве строительных материалов // Стекло и керамика. 2011. С. 27—34.

4. Зотов С.Н. Исследование влияния различных видов стеклобоя на свойства керамических изделий // Труды НИИСтройкерамики. 1986. Вып. 58. С. 24-25.

5. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. М.: Феникс, 2007. 368 с.

6. Аппен А.А. Химия стекла. Л.: Химия, 1974. 351 с.

7. Ермоленко Е.П., Классен В.К., Новоселов А.Г. Влияние КС1 и NaCl на процессы клинкерообразо-вания и качество цемента // Инновационные материалы и технологии: Сборник докладов международной научно-практической конференции. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. Ч. 3. С. 17-22.

Рис. 4. Микроструктура образца красногорской глины с композиционной добавкой, обжиг 1000оС, съемка (Quanta 200 3D)

Таблица 2

фазы, повышению плотности и снижению водопоглощения керамического камня, получению необходимых эксплуатационных параметров для лицевой керамики и клинкерных изделий.

References

1. Makarov D.V., Melionyan R.G., Suvorova O.V., Kumarova V.A. Prospect of use of industrial wastes for receiving ceramic construction materials. Gornyi infor-matsionno-analiticheskii byulleten'. 2016, pp. 254—281. (In Russian).

2. Malinetsky G.G. Chtob skazku sdelat' byl'yu. Vysokie tekhnologii — put' Rossii v budushchee [To make a fairy tale come true. High technologies — a way of Russia to the future]. Moscow: LIBROKOM. 2013. 224 p.

3. Pavlushkina T.K., Kisilenko N.G. Use of glass fight in production of construction materials. Steklo i keramika. 2011. No. 5, pp. 27-34. (In Russian).

4. Zotov S. N. Research of influence of different types of a culletonproperties ofpottery. Trudy NIIStroikeramiki. 1986. Iss. 58, pp. 24-25. (In Russian).

5. Dvorkin L.I., Dvorkin O.L. Stroitel'nye materialy iz ot-khodov promyshlennosti. [Construction materials from waste of the industry]. Moscow: Phoenix. 2007. 368 p.

6. Appen A.A. Khimiya stekla. [The chemistry flew down]. Leningrad: Chemistry. 1974. 351 p.

7. Ermolenko E.P., Klassen V.K., Novoselov A.G. The influence of KCl and NaCl on clinker formation processes and cement quality. Innovative materials and technologies: collection of reports of the International scientific and practical conference. Belgorod: BGTU of V.G. Shukhov. 2011. Part. 3, pp. 17-22. (In Russian).

Ч В П/ВЧ/ВЧ/П/В Ч/В/П Ч/П/В/Н Состав 5% стекольной добавки

Рис. 3. Зависимость прочности образцов из красногорской глины от состава стекольной добавки, где стекло: Ч - карбонатное; В - стекловолокно; П/В - кварцевое с волокном; Ч/В - карбонатное с волокном; Ч/П/В - карбонатное, кварцевое, волокно; Ч/В/Н - карбонатное, волокно, соль; Ч/П/В/Н - карбонатное, кварцевое, волокно, соль. Обжиг 1070оС; у//\ - хлыстовская глина

Глина Красногорская Хлыстовская

Содержание добавки, % 2 5 8 2 5 8

Плотность, г/см3 1,92 2,11 2,24 1,98 2,08 2,18

Водопоглощение, % 7,8 5,4 4,8 8,2 5,8 5,2

Прочность при сжатии, МПа 32 42 53 28 38 48

Прочность при изгибе, МПа 3,4 4,8 5,2 3,2 4,5 5

состав стекольной добавки соль №С1, которая способствует образованию легкоплавких смесей с алюмосиликатами и образованию в алюмосиликатной композиции значительного количества стекло-

научно-технический и производственный журнал